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1、控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础控制工程基础课程总结课程总结1控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结通知通知 作业作业“缺交次数超过应交次数的三分之一缺交次数超过应交次数的三分之一” 者要补交作业，否则，按学校规定取消考试者要补交作业，否则，按学校规定取消考试资格，截止时间第资格，截止时间第17周周 周五下午。周五下午。 2控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结考试题型：考试题型： 第一部分（第一部分（40分）：分）： 填空题（填空题（20分）分） 、选择题、选择题 （20分）分） 第二部分（第二部
2、分（60分）：分）： 1、用部分分式法求原函数、用部分分式法求原函数 2、数学模型（直线运动机械系统）、数学模型（直线运动机械系统） 3、方框图简化、方框图简化 4、时域分析法（瞬态响应的性能指标）、时域分析法（瞬态响应的性能指标） 5、频域分析法（频率响应、频域分析法（频率响应+伯德图）伯德图） 6、系统稳定性判定（劳斯判据）、系统稳定性判定（劳斯判据） 7、稳态误差的计算、稳态误差的计算关于关于“控制工程基础控制工程基础”课程考核说明课程考核说明综合成绩：平时综合成绩：平时20% +平时平时10% +末考末考70%3控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制系统控
3、制系统的概念控制系统的概念对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求控制工程基础课程结构控制工程基础课程结构分析分析设计设计控制系统控制系统的组成的组成工作工作原理原理控制系统控制系统的分类的分类稳定性稳定性准确性准确性快速性快速性时域分析法时域分析法频域分析法频域分析法校正校正常用校常用校正方式正方式PID校正校正超前校正超前校正滞后滞后超前校正超前校正滞后校正滞后校正4控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结1.1.工作原理工作原理 首先检测输出量的实际值，将实际值以某种方式（返回输首先检测输出量的实际值，将实际值以某种方式（返回输入端，称入端，称“反馈量反馈量”）与
4、给定值（）与给定值（输入量输入量）进行比较得出）进行比较得出偏差偏差值值, ,再用偏差值产生控制调节信号去消除偏差。再用偏差值产生控制调节信号去消除偏差。 闭环控制系统一般由闭环控制系统一般由给定元件、反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及及校正元件等组成。等组成。2.2.闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成3.3.反馈的概念反馈的概念 输出量通过检测装置将信号返回输入端，并与输入量进行输出量通过检测装置将信号返回输入端，并与输入量进行比较的过程。比较的过程。第1章 绪论5控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结4.4.控制论的本质控制论的本质 是通过是通过信息的传递
5、、加工处理信息的传递、加工处理并并加以反馈加以反馈来进行控制，来进行控制，控制理论是信息学科的重要组成方面。控制理论是信息学科的重要组成方面。5.5.机械工程控制论机械工程控制论 是以机械工程技术为对象的控制论问题，是研究这一工是以机械工程技术为对象的控制论问题，是研究这一工程领域中广义系统的动力学问题，即研究程领域中广义系统的动力学问题，即研究系统系统及其及其输入输入、输输出出之间的动态关系。之间的动态关系。 机械工程控制论的主要研究以下内容：机械工程控制论的主要研究以下内容： （1 1）系统分析系统分析 （2 2）最优控制）最优控制 （3 3）最优设计）最优设计 （4 4）系统识别）系统识
6、别 （5 5）滤波与预测）滤波与预测第1章 绪论6控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结6. 6. 控制系统的基本要求控制系统的基本要求l 稳定性稳定性： 控制系统工作的首要条件。指动态过程的振荡倾向和控制系统工作的首要条件。指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。系统能够恢复平衡状态的能力。l 快速性快速性： 系统的输出量和输入量产生偏差时，消除这种偏差过系统的输出量和输入量产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。程的快速程度。l 准确性准确性： 调整过程结束后系统的输出量与输入量之间的偏差。调整过程结束后系统的输出量与输入量之间的偏差。第1章 绪论7控制
7、工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结分析分析控制系统：工作原理、动态特性、系统的稳定性、准控制系统：工作原理、动态特性、系统的稳定性、准确性、快速性确性、快速性设计设计控制系统：设计满足稳、准、快要求的系统，并加以控制系统：设计满足稳、准、快要求的系统，并加以实现实现课程结构体系课程结构体系第1章 绪论8控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结l 拉普拉斯变换的定义拉普拉斯变换的定义复变量复变量原函数原函数象函数象函数拉氏变换符号拉氏变换符号l 典型时间函数的拉普拉斯变换典型时间函数的拉普拉斯变换欧拉公式欧拉公式第2章 拉斯变换的数学方法9控制工
8、程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结l拉氏变换的定理拉氏变换的定理第2章 拉斯变换的数学方法10控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结计算拉普拉斯反拉普拉斯反变换变换方法：1. 查表法查表法l拉氏反变换拉氏反变换2. 采用采用部分分式展开法部分分式展开法部分分式展开法部分分式展开法第2章 拉斯变换的数学方法11控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结例例：求的原函数。解解：第2章 拉斯变换的数学方法12控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结u主要内容：主要内容：l 系统微分方程的建立系统微分方程的
9、建立l 传递函数传递函数l 方块图及动态系统的构成方块图及动态系统的构成 在在零初始条件零初始条件下，线性定常系统下，线性定常系统输出量的拉氏变输出量的拉氏变换换与引起该输出的与引起该输出的输入量的拉氏变换输入量的拉氏变换之比。之比。 传递函数反映系统本身的动态特性，只与系统本传递函数反映系统本身的动态特性，只与系统本身的结构参数有关，与外界输入无关身的结构参数有关，与外界输入无关。 第3章 系统的数学模型u 传递函数：传递函数：13控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结 比例环节比例环节：K一阶微分环节一阶微分环节：Ts+1二阶微分环节二阶微分环节：积分环节积分环节
10、：惯性环节惯性环节：二阶振荡环节二阶振荡环节：微分环节微分环节：s第3章 系统的数学模型l传递函数的典型环节传递函数的典型环节延迟环节：延迟环节：第3章 系统的数学模型14控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结例例：试试求求如如图图所所示示机机械械系系统统的的传传递递函函数数。其其中中，F(t)为为系系统统的的输输入入外外力力，y(t)为为系系统统的的输输出出位位移移，M1和和M2为为质质量量块块，K1和和K2为为弹弹簧簧的的弹弹性性系系数数，B为为阻阻尼尼器器的的阻阻尼尼系系数数。（忽忽略略质质量量块块重重力力作作用）（共用）（共10分）分） 第3章 系统的数学模型
11、第3章 系统的数学模型15控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结第3章 系统的数学模型第3章 系统的数学模型16控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结u 系统方框图的简化系统方框图的简化 q 方框图的运算法则方框图的运算法则 串联、串联、并联及反馈连接并联及反馈连接 G(s)H(s) Xi(s)Xo(s)-B(s)E(s)q 方框图的等效变换法则方框图的等效变换法则 求和点的移动求和点的移动 引出点的移动引出点的移动 第3章 系统的数学模型l开环传递函数开环传递函数l误差传递函数误差传递函数17控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结
12、控制工程基础总结第3章 系统的数学模型例：求如图所示控制系统的传递函数。例：求如图所示控制系统的传递函数。第3章 系统的数学模型18控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结第3章 系统的数学模型19控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结l 时间响应：时间响应：系统在输入信号作用下其输出随时间变化系统在输入信号作用下其输出随时间变化的规律。的规律。时间响应时间响应分为两部分分为两部分：瞬态响应瞬态响应和和稳态响应。稳态响应。l 瞬态响应瞬态响应：系统受到外加作用激励后，从初始状态到：系统受到外加作用激励后，从初始状态到最终状态的响应过程，最终状态
13、的响应过程，又称动态过程、瞬态过程。又称动态过程、瞬态过程。 l 稳态响应稳态响应：时间趋于无穷大时，系统的输出状态。即时间趋于无穷大时，系统的输出状态。即稳态响应是瞬态过程结束后仍然存在的时间响应。稳态响应是瞬态过程结束后仍然存在的时间响应。第4章 系统的时域分析20控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结 一阶系统的时间响应一阶系统的时间响应 c(t)0.6320.8650.950.982初始斜率1/T c(t)=1-e-t/T0 tT2T3T4T1 一阶系统单位阶跃响应单位阶跃响应单位阶跃响应单位脉冲响应单位脉冲响应单位斜坡响应单位斜坡响应第4章 系统的时域分析2
14、1控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结 二阶系统的时间响应二阶系统的时间响应-第4章 系统的时域分析22控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结例：系统的单位脉冲响应函数为例：系统的单位脉冲响应函数为g( (t)=2)=2e(- (-t/2)/2)，系统输入，系统输入x( (t) )如图，求系统的输出如图，求系统的输出。105t x( (t) )解：解：系统传递函数为：系统传递函数为：23控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结则：则：延时定理：延时定理： 若若Lf(t)=F(s)，则，则 Lf(ta) = e-asF
15、(s) (a为正实常数为正实常数)延时函数经常表示成延时函数经常表示成： f(ta) 1(ta)，如果写成，如果写成f(ta)，则必须明确指出定义域。，则必须明确指出定义域。24控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结Mp瞬态响应的性能指标瞬态响应的性能指标c(t) t 010.50.05或或0.02tr tp tstd第4章 系统的时域分析25控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结例例: : 设设单单位位负负反反馈馈的的二二阶阶系系统统的的单单位位阶阶跃跃响响应应曲曲线线如如图图所所示示，试试确定系统的传递函数。确定系统的传递函数。 解解：图
16、图示示为为一一欠欠阻阻尼尼二二阶阶系系统统的的单单位位阶阶跃跃响响应应曲曲线线。由由图图中中给给出的阶跃响应性能指标，先确定二阶系统参数，再求传递函数。出的阶跃响应性能指标，先确定二阶系统参数，再求传递函数。 0t(s)11.30.1c(t)第4章 系统的时域分析26控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结0t(s)11.30.1c(t)第4章 系统的时域分析27控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结 稳态误差稳态误差B(s)第4章 系统的时域分析28控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结 扰动作用下的稳态误差扰动作用
17、下的稳态误差图示系统，图示系统，R( (s) )为系统的输入，为系统的输入， N( (s) )为系统的扰动作用。为系统的扰动作用。 求求E( (s) )和和ess 第4章 系统的时域分析29控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结一、频率响应一、频率响应 正弦信号正弦信号的的稳态稳态响应。响应。输入：输入：稳态稳态输出：输出：第5章 系统的频域分析30控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结二、频率特性二、频率特性频率特性的表示方法频率特性的表示方法频率特性的表示方法频率特性的表示方法 解析法：解析法：G(jw) 幅频特性：幅频特性：A(w) =
18、 B/A = | G(jw) | 相频特性：相频特性： j (w) = G(jw) 图示法：图示法： 对数坐标图或称对数坐标图或称BodeBode图；图； 极坐标图或称极坐标图或称NyquistNyquist图；图；第5章 系统的频域分析31控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结对于正弦输入对于正弦输入r(tr(t)=2sin)=2sin2 2t t的频率响应为：的频率响应为：第5章 系统的频域分析32控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结三、三、 频率特性的对数坐标图（伯德图、频率特性的对数坐标图（伯德图、BodeBode图）图）u 对数幅
19、频特性图对数幅频特性图 横坐标：以横坐标：以1010为底的对数分度表示的角频率，单位为底的对数分度表示的角频率，单位rad/ /s。 纵坐标：线性分度，幅值纵坐标：线性分度，幅值20 lgA(w) ，单位分贝（，单位分贝（dBdB）。）。u 对数相频特性图对数相频特性图 横坐标：与对数幅频特性图相同。横坐标：与对数幅频特性图相同。 纵坐标：线性分度，频率特性的相角纵坐标：线性分度，频率特性的相角j j (w w) ，单位度。，单位度。第5章 系统的频域分析33控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结典型环节典型环节BodeBode图的特性图的特性第5章 系统的频域分析3
20、4控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结 绘制系统伯德图的一般步骤：绘制系统伯德图的一般步骤： 1）将传递函数）将传递函数化成化成标准标准典型环节典型环节串联串联形式，形式，即将常数项化为即将常数项化为1。 2 2）选选定定BodeBode图图坐坐标标系系所所需需频频率率范范围围，一一般般最最低低频频率率为为系系统统最最低低转转折折频频率率的的1/101/10左左右右，而而最最高高频频率率为为最最高高转转折折频频率率的的1010倍倍左左右右；确确定定坐坐标标比比例例尺尺；确确定定各各环环节节的的转转折折频频率率，并并将将转转折折频频率率由由低低到到高高依次标注到对数坐
21、标纸依次标注到对数坐标纸上上。 3）计计算算20lgK，在在w1rad/s处处找找到到纵纵坐坐标标等等于于20lgK的的点点，过过该该点点作作斜斜率率等等于于 -20dB/dec的的直直线线（积积分分环环节节），向向左左延延长长此此线线至至所有环节的所有环节的转折频率之左转折频率之左，得到最低频段的渐近线。，得到最低频段的渐近线。 4 4）向右延长最低频段渐近线，向右延长最低频段渐近线，每遇到一个转折频率每遇到一个转折频率每遇到一个转折频率每遇到一个转折频率改变一次斜改变一次斜率。率。注意：对数幅频特性曲线上要标明斜率！注意：对数幅频特性曲线上要标明斜率！ 一阶惯性（微分）环节，斜率：一阶惯性
22、（微分）环节，斜率：- -（+ +）20dB/dec20dB/dec 二阶振荡（微分）环节，二阶振荡（微分）环节，斜率：斜率：- -（+ +）40dB/dec40dB/dec 第5章 系统的频域分析35控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结02040-20-400.1110L0.52.084-20dB/dec-40dB/dec-20dB/dec-60dB/dec例：例：第5章 系统的频域分析36控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结四、最小相位系统的概念四、最小相位系统的概念 若系统传递函数若系统传递函数G(s)的的所有零点和极点均在所有零点
23、和极点均在s平面的左平面的左半平面半平面,则称为则称为“最小相位传递函数最小相位传递函数”。 五、闭环频率特性与频域性能指标五、闭环频率特性与频域性能指标(1)谐振频率谐振频率wr及谐振峰值及谐振峰值Mr 当当w w=0的幅值为的幅值为M(0)=1时，时，M的最大值的最大值Mr r称作称作谐振峰值谐振峰值。 若若w w=0时，时，M(0)不为不为1 1，则，则 Mr=Mmax(w wr)/M(0)，在谐振峰在谐振峰值处的频率值处的频率w wr r称为称为谐振频率谐振频率。 第5章 系统的频域分析 (0z z0.707) 37控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结(2)
24、(2)截止频率截止频率w wb及频宽及频宽 当当闭环频率闭环频率响应的幅值下降到零频率值以下响应的幅值下降到零频率值以下3 3分贝时，对应分贝时，对应的频率称为的频率称为截止频率截止频率。即。即M(w w)衰减到衰减到0.707M(0) 时对应的频率。时对应的频率。2222)(nnnssswzwwF+=第5章 系统的频域分析38控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结解解: :依图，可以确定是二阶欠阻尼系统依图，可以确定是二阶欠阻尼系统由由例例: :实验测得某闭环系统的对数幅频特性如图所示，试确定实验测得某闭环系统的对数幅频特性如图所示，试确定 系统的动态性能系统的动态
25、性能 。 解出解出可确定可确定第5章 系统的频域分析39控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结u稳定性定义稳定性定义 当这个干扰作用去除后当这个干扰作用去除后，若系统在足够长的时间，若系统在足够长的时间内能够恢复到其内能够恢复到其原来的平衡状态原来的平衡状态，则系统是稳定的。，则系统是稳定的。 线性系统稳定的充要条件为：线性系统稳定的充要条件为：所有特征根均为负所有特征根均为负数或具有负的实部，即：所有特征根均在复数平面的数或具有负的实部，即：所有特征根均在复数平面的左半部分。左半部分。第6章 系统的稳定性一般情况下，确定系统稳定性的方法有：一般情况下，确定系统稳定性
26、的方法有：1 1、直接计算或间接得知系统特征方程式的根。、直接计算或间接得知系统特征方程式的根。2 2、确定特征方程的根具有负实部的系统参数的区域。、确定特征方程的根具有负实部的系统参数的区域。40控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结1 1、劳斯判据、劳斯判据 检查各项系数检查各项系数是否齐全（包括常数项）及是否大是否齐全（包括常数项）及是否大于于0 0。若是，进行第二步；否则，系统不稳定。若是，进行第二步；否则，系统不稳定。1 1）列出系统特征方程）列出系统特征方程： 2 2）按系统的特征方程式列写劳斯表）按系统的特征方程式列写劳斯表 3 3）考察劳斯阵列表中第一
27、列各数的符号，如果第一）考察劳斯阵列表中第一列各数的符号，如果第一列中各数的符号相同，则表示系统具有正实部特征根列中各数的符号相同，则表示系统具有正实部特征根的个数等于零，系统稳定。的个数等于零，系统稳定。第6章 系统的稳定性41控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结l劳斯表劳斯表第6章 系统的稳定性42控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结例：系统结构图如图所示，当输入信号为单位斜坡函数例：系统结构图如图所示，当输入信号为单位斜坡函数 时，试求该系统的稳态误差能否小于时，试求该系统的稳态误差能否小于0.10.1？-第6章 系统的稳定性43控
28、制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结-解：只有稳定的系统计算稳态误差解：只有稳定的系统计算稳态误差才有意义；所以先判断稳定性才有意义；所以先判断稳定性系统特征方程为系统特征方程为由劳斯判据知稳定的条件为：由劳斯判据知稳定的条件为：由稳定的条件知：由稳定的条件知： 不能满足不能满足 的要求的要求第6章 系统的稳定性44控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结3 3、相位裕量和幅值裕量、相位裕量和幅值裕量（1 1）相位裕量）相位裕量 在开环在开环G(s)H(s)的奈氏图上，从原点到奈氏图与单位圆的的奈氏图上，从原点到奈氏图与单位圆的交点连一直线，则
29、该直线与负实轴的夹角，就称为交点连一直线，则该直线与负实轴的夹角，就称为相位裕量相位裕量。用。用g g表示。表示。 幅值穿越频率幅值穿越频率w wc c：开环开环NyquistNyquist曲线与单位圆的交点对曲线与单位圆的交点对应的频率应的频率w wc c称为幅值穿越频率，称为幅值穿越频率，也称也称剪切频率剪切频率。 g g大小反映了大小反映了奈氏图与负实轴奈氏图与负实轴的交点与（的交点与（-1，j0）点的距离点的距离。第6章 系统的稳定性45控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结（2 2）幅值裕量）幅值裕量 注意到：如果开环增益增加注意到：如果开环增益增加Kg倍，倍，Nyquist曲线将穿过曲线将穿过(-1, j0)点，点，系统临界稳定。因此，增益裕量的物理意义可表述为：系统临界稳定。因此，增益裕量的物理意义可表述为：在保持系在保持系统稳定条件下，开环增益所允许增加的最大分贝数。统稳定条件下，开环增益所允许增加的最大分贝数。 在奈氏图上，奈氏曲线与负实轴交点处幅值的倒数，称在奈氏图上，奈氏曲线与负实轴交点处幅值的倒数，称为为幅值裕量幅值裕量，用，用Kg表示。表示。第6章 系统的稳定性46控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结控制工程基础总结47
